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antriebstechnik 3/2019

antriebstechnik 3/2019

Vor einstellung der

Vor einstellung der verschiedenen Eingriffshöhen führen. Zudem sind dem jeweiligen Versuchszahnrad ein Ein- und Auslaufzahnrad vor- bzw. nachgeschaltet, welche angepasste Zahnlücken besitzen und für ein werkzeugschonendes Heranführen zum entsprechenden Eingriffspunkt sorgen. Die Überwachung des hydraulischen Drucks und der vertikal eingebrachten Festwalzkraft während der Bearbeitung wird mittels eines Druckmessumformers sowie einer Kraftmessplattform verwirklicht. Etwaigen Druckschwankungen beugt die Implementierung eines Druckspeichers im Inline-Werkzeug vor (Bild 04). Aus Gründen einer vereinfachten Prozessauslegung und -steuerung finden die Versuche zunächst an geradverzahnten Stirnzahnrädern statt, die über einen Normalmodul von m n = 2,5, eine Zähnezahl von z = 58, einen Normaleingriffswinkel von α = 20° und einen Kopfkreisdurchmesser von d a = 153,2 mm verfügen und mit ähnlichen Verzahnungsdaten – allerdings in schrägverzahnter Bauweise – in einem Doppelkupplungsgetriebe im Automobilbau zum Einsatz kommen. Ein zukünftiger Transfer der Forschungsergebnisse auf praxisrelevante Getriebezahnräder soll durch dieses Vorgehen erleichtert werden. Auch die Übernahme des geschliffenen Zahnfußzustands der Schrägverzahnung auf die geradverzahnten Zahnräder soll ungleichen Randbedingungen vorbeugen. Neben nach üblichen Industriestandards geschliffenen und kugelgestrahlten Zahnoberflächen stellen mit p = 60 bar sowie p = 100 bar festgewalzte Zahnfußbereiche den zentralen Gegenstand der Untersuchungen dar, welche theoretischen Festwalzkräften an der 30°-Tangente von ca. 1 800 bzw. 3 000 N entspricht. Die zehn Hartmetallrollen des Prototypenwerkzeugs werden hierbei zwar mit einem identischen Druck beaufschlagt. Aufgrund der unterschiedlichen Eingriffswinkel an den Zahnflanken ergeben sich aber differierende Festwalzkräfte in Abhängigkeit der Bearbeitungsposition, weshalb auf die Angabe des hydraulischen Drucks zurückgegriffen wird. Die Festwalzprozesse beginnen jeweils im Zahngrund und münden oberhalb der 30°-Tangente. Bild 05 stellt die gemessenen Eigenspannungstiefenverläufe der unterschiedlichen Endbearbeitungszustände im Zahnfuß vergleichend gegenüber. Analog zu den Ergebnissen der Voruntersuchungen erzeugen alle untersuchten Verfahren Druckeigenspannungen. Während sich beim Kugelstrahlen eine aus der Literatur bekannte Kennlinie mit einem Maximalwert von etwa – 850 MPa in einer Tiefe von 100 µm einstellt, zeigen sich bei den festgewalzten Proben unerwartete Kurvenverläufe. Unabhängig vom jeweiligen Walzdruck bilden sich die maximalen Druckeigenspannungsbeträge direkt an der Oberfläche aus, bevor die Messwerte vorläufig mit zunehmender Tiefe abfallen. In einem Abstand von ca. 250 µm kann anschließend ein erneuter Anstieg der Eigenspannungen identifiziert werden, ehe die Druckeigenspannungen Richtung Abszisse tendieren. Die mit p = 100 bar festgewalzten Zahnradsegmente erreichen sogar einen Maximalwert von über – 2 100 MPa an der Oberfläche, was ein sehr hohes Maß an Verfestigung vermuten lässt und als Anlass genommen wurde, externe röntgenographische Messungen zur Absicherung der Messreihen zu veranlassen. Diese konnten die aufgenommenen Eigenspannungsverläufe bestätigen. Bezogen auf die Maximalwerte der entsprechenden Versuchsreihe zeigt sich also eine Steigerung der Druckeigenspannungen um über 50 bzw. 140 % gegenüber der kugelgestrahlten Variante, die durch das Festwalzen erzielt werden kann. In abschließenden Pulsatorversuchen werden die Zahnfußtragfähigkeiten der unterschiedlich bearbeiteten Zahnräder an einem hochfrequenten Resonanzprüfstand des Typs Power Swing Big Table durch die SincoTec Test Systems GmbH ermittelt. Aus wirtschaftlichen Gründen erfolgen die Untersuchungen vorerst an jeweils fünf Proben im Treppenstufenverfahren bis zu einer Zeitfestigkeit von 3 Mio. Lastwechseln. Anhand der Prüfergebnisse lassen sich die positiven Wirkungen der Druckeigenspannungen auf die Lebensdauer bestätigen. Wie Bild 06 veranschaulicht, können die ausschließlich geschliffenen Versuchszahnräder einen gemittelten Lasthorizont von 30 kN bis zur festgelegten Zeitfestigkeit erdulden. Die kugelgestrahlten und mit p = 60 bar festgewalzten Prüfkörper weisen mit einer durchschnittlichen Kraft von 37 kN respektive 38,5 kN ein ähnliches Leistungsniveau zueinander auf. Zu einer deutlichen Verbesserung führen die mit p = 100 bar behandelten Zahnfußbereiche, die gegenüber den kugelgestrahlten Varianten eine weitere Steigerung der Zahn fußtragfähigkeit von in etwa 11 % hervorrufen. Auch die Bruch lagen der Festwalzbearbeitung mit 100 bar stellen eine Besonderheit dar. Während bei den anderen Versuchsreihen die Prüflinge ausnahmslos in der unmittelbaren Nähe der 30°-Tangente brechen, versagen die mit 100 bar bearbeiteten Zähne am Übergang zwischen verfestigtem und ungewalztem Bereich, welches auf eine hohe Spannungsdifferenz in diesem Gebiet schließen lässt. Zusätzlich kann auf Basis der Schadensbilder vermutet werden, dass lediglich bei dieser Parameterkonfiguration der Riss ausgang an der Oberfläche liegt, während bei den anderen Untersuchungsreihen die Rissinitiierung eher im Werkstoffinneren erfolgt. Umfassende Bewertungen der Bruchflächen sind derzeit aber noch ausstehend. Somit kann festgehalten werden, dass sich durch das Inline-Festwalzen nicht nur die erhoffte Erhöhung der Zahnfußtragfähigkeit einstellt, sondern sich wahrscheinlich auch noch Optimierungspotenziale in der Reduzierung des Spannungsgefälles verbergen. Eine Ausweitung der Walzbearbeitung oberhalb des Zahnfußnutzkreises zur Spannungssenkung scheint aufgrund der sich einstellenden Umformvorgänge allerdings nicht sinnvoll, sodass eine verbesserte Abstimmung von Werkzeug- und Prozessgrößen erfolgen muss. Zusammenfassung und Ausblick In der Getriebetechnik gehören einsatzgehärtete Zahnräder zu den zyklisch höchst beanspruchten Bauteilen, deren Lebensdauer wesentlich von der Zahnfußtragfähigkeit bestimmt wird. Insbesondere im Bereich der 30°-Tangente liegt eine erhöhte Bruchgefahr vor, weshalb Zahnräder derzeit häufig in einem letzten Fertigungsschritt kugelgestrahlt werden. Die hierbei induzierten Druckeigenspannungen wirken einer Rissbildung und -ausbreitung entgegen und führen zu einer Steigerung der Festigkeit. An anderen dynamisch hochbelasteten Bauteilen hat sich die Verwendung des Festwalzens etabliert, dessen Verfestigungsmechanismen eine größere Tiefenwirkung erzielen als die des Kugelstrahlens. Aufbauend auf den Ergebnissen diverser Eigenspannungstiefenverläufe, die im Rahmen von Festwalz-Analogieversuchen an Vierkantstahl gewonnen wurden, konnte erfolgreich ein Prototyp des Inline-Festwalzwerkzeugs konstruiert und ge fertigt werden, das die Vorteile des Festwalzens auf die Zahnrad fertigung transferiert. Sowohl die durchgeführten Eigenspannungsanalysen im Zahnfuß als auch die detektierten Kenngrößen im Pulsatorversuch belegen die erhoffte Funktionsweise des Werkzeugsystems, indem eine maximale Steigerung der Zahnfußtragfähigkeit von 11 % gegenüber dem kugelgestrahlten Oberflächenzustand hervorgerufen wird. Zudem scheint eine weitere Erhöhung der Leistungsfähigkeit durch das Festwalzen umsetzbar, da die mit p = 100 bar festgewalzten Proben am Übergang zwischen dem gewalzten und unverfestigten Bereich versagen und somit eine Senkung der Spannungsdifferenz in dieser Region weiter leistungssteigernd wirken könnte. Zukünftige Forschungsbestrebungen rücken umfangreiche Randzonen- und Bruchanalysen sowie die Auswirkungen verschiedener 50 antriebstechnik 3/2019

VERZAHNUNGSTECHNIK Festwalzparameter, wie Walzgeschwindigkeit, Bearbeitungsrichtung und die Anzahl der Überfahrten, in den Fokus. Darüber hinaus folgt neben weiteren Lebensdauerversuchen zur statistischen Ab sicherung auch die Entwicklung eines FE-Modells, aus dem eine weitere Steigerung der Zahnfußtragfähigkeit durch die Optimierung der Rollen- und Werkzeugauslegung resultieren soll. Letztendlich erfolgt die Übertragung des Werkzeug- und Prozesskonzepts auf schrägverzahnte Stirnzahnräder. Hierbei stellt die geradlinige Durchführung des Inline-Werkzeugs entlang der in axialer Richtung ausgeprägten Zahnfußkrümmung die größte Herausforderung dar. Erste Lösungsansätze sehen eine Neuausrichtung der Zahnradaufnahme und eine etwaige Vergrößerung des axialen Rollenlagerspiels zur Optimierung der Selbstzentrierungseigenschaften der Walzwerkzeuge vor. Literaturverzeichnis: [1] Eichleiter, F.: Fertigungs- und prozessbedingte Eigenschaften von Klebverbindungen im Karosseriebau. Dissertation, TU Braunschweig, 2012 [2] Reinhold, B.; Angermann, K.: Werkstoffverbunde im Automobilbau – neue Systemlösungen für komplexe Anforderungsprofile. Verbundwerkstoffe: 17. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde. 1. Auflage, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, S.27-36, 2009 [3] Henning, F.; Moeller, E.: Handbuch Leichtbau: Methoden, Werkstoffe, Fertigung. Carl Hanser Verlag München, 2011 [4] Yamamoto, S.; Morita, R.; Oike, M.: Radnabenmotor mit Getriebe für PKW. In Automobiltechnische Zeitschrift 03/2018, S.28-33, 2018 [5] Klocke, F.; Brecher, C.: Zahnrad- und Getriebetechnik: Auslegung – Herstellung – Untersuchung – Simulation. Carl Hanser Verlag München, 2017 [6] Stenico, A.: Werkstoffmechanische Untersuchungen zur Zahnfußtragfähigkeit einsatzgehärteter Zahnräder. Dissertation, TU München, 2007 [7] Hirt, M.: Einfluss der Zahnfußausrundung auf die Spannung und Festigkeit von Geradstirnrädern. Dissertation, TU München, 1974 [8] DIN 3990, Teil 1–5: Tragfähigkeitsberechnung von Stirnrädern. Beuth Verlag, Berlin, 1987 [9] ISO 6336-1: Calculation of load capacity of spur and helical gears, Part 1: Basic principles, introduction and general influence factors. Beuth Verlag, Berlin, 2006 [10] OSK-Kiefer GmbH, Oberflächen- & Strahltechnik: Strahlen und Gleitschleifen im Lohnauftrag. 4. Auflage, Herausgeber Bernd Kiefer [11] Anzinger, M.: Werkstoff- und Fertigungseinflüsse auf die Zahnfußtragfähig- 06 Lasthorizont Erzielbare gemittelte Lasthorizonte verschiedener Endbearbeitungsverfahren 50 kN 30 20 10 0 geschliffen kugelgestrahlt festgewalzt 60 bar festgewalzt 100 bar © HSH/WFM keit, insbesondere im hohen Zeitfestigkeitsgebiet. Dissertation, TU München, 1991 [12] Wied, J.: Oberflächenbehandlung von Umformwerkzeugen durch Festklopfen. Dissertation, TU Darmstadt, 2011 [13] Elber, W.: Effects of shot peening residual stresses on the fracture and crack growth properties of D6AC steel. In: Fracture toughness and slow stable cracking. ASTM, STP 559, S. 45–58, 1974 [14] Altenberger, I., Nikitin, I.: Alternative mechanische Oberflächenbehandlungsverfahren zur Schwingfestigkeitssteigerung. In: Härtereitechnische Mitteilungen Nr. 49, S.269–276, 2004 [15] Altenberger, I.: Deep rolling – the past, the present and the future. In: Proceedings of the 9th international conference on shot peening. Paris: IITT-International, S.144-155, 2005 [16] Mader, S.: Festwalzen von Fan- und Verdichterschaufeln. Dissertation, RWTH Aachen, 2006 [17] Liebisch, A.: Einflüsse des Festwalzens auf die Eigenspannungsverteilung und die Dauerfestigkeit einsatzgehärteter Zahnräder. Dissertation, Universität Karlsruhe, 1990 Wir fertigen Stirnräder mit Innen- und Außenverzahnung, Zyklo-Palloid-Spiralkegelräder sowie Hirth-Stirnverzahnungen als eine der wenigen in einem Haus. Individuell nach Kundenwunsch! Einmalig. Wir produzieren alle gängigen Verzahnungsarten – in Premiumqualität. Vielseitig. Hagmann Zahnradfabrik GmbH Tel.: +49 (0) 71 64 / 94 30-0 Fax: -31 www.hagmann.de info@hagmann.de

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